1、20072008學年第 二 學期畢業論文課題名稱： 電氣化鐵道動態無功補償 設計時間： 2008.22008.5 系 部： 班 級： 姓 名： 指導教師： 總 目 錄 第一部分 任務書第二部分 開題報告第三部分 畢業設計報告第 一 部 分任務書畢業設計任務書系 部電子工程系指導老師職 稱學生姓名班 級學 號03490158設計題目電氣化鐵道動態無功補償設計內容目標和論文要求畢業設計內容和目標：調查研究、查閱電氣化鐵道動態無功補償方面的文獻并搜集相關資料；了解電氣化鐵道動態無功補償的要求和發展現狀；介紹本課題的設計思路，確定設計方案并加以闡述；撰寫開題報告；說明設計成果及主要參考文獻。畢業設計論

2、文要求：正文要求在8000字以上；論文包括摘要、目錄、正文、參考文獻、致謝；按學院論文統一標準格式撰寫。設計方案應可行并具有一定的先進性、經濟性和實用性。學生簽名教研室審核 第 二 部 分開題報告畢業設計（論文）開題報告書學生姓名專業班級學號題 目電氣化鐵道動態無功補償指導教師職稱學 位題目類別 工程設計 基礎研究 應用研究 其它【課題的內容與要求】查閱電氣化鐵道動態無功補償方面的相關資料；了解電氣化鐵道動態無功補償要求和發展現狀；確定設計方案；并進行相關控制的電路方案設計和程序設計。繪制控制電路圖紙，撰寫設計報告。【前言】電氣化鐵道的諧波含量多，功率因數低下，其單相獨立性又在電力系統中造成負

3、序電流。無功、負序和諧波成為電氣化鐵道日趨嚴重并急需解決的問題。電氣化鐵道的特殊供電方式三相變兩相及其特殊的負荷情況，極易造成大量的諧波和無功功率。嚴重影響供電電網的電能質量，同時也影響自身的正常運行。本文介紹了用于配電系統動態無功補償的晶閘管投切電容器(tsc)的基本原理、分類、主電路形式。針對電氣化鐵道的無功產生的特點，選用晶閘管投切電容器（tsc）來進行無功補償，分別投切不同組數的晶閘管投切電容器（tsc），用matlab仿真出結果，通過比較選出最優的投切組數，以提高功率因數。【方案的比較與評價】某一時刻不同負載條件下，通過仿真結果可以求解出相應的功率因數。比較功率因數的大小，投入3組t

4、sc補償效果比較好，功率因數得到明顯提高。【預期的效果及指標】電氣化鐵路的無功功率補償，基于matlab的仿真結果表明:用晶閘管投切電容器(tsc)來對電氣化鐵道進行無功補償，對同一負載和不同負載的情況下，分別投入一組、兩組、三組晶閘管投切電容器(tsc)，對他們的結果進行比較，某一時刻相同負載的情況下投入2組tsc時，以及某一時刻不同負載情況下投入3組tsc，補償效果比較好、功率因數較高，很好地改善了供電質量,提高了供電系統的經濟效益。【進度安排】2008 年02月 1 日 - 2008 年2 月 20 日選題、調研、收集資料2008 年 2 月 21日 - 2008 年3 月 10 日論證

5、、開題2008 年3 月 11 日 - 2008 年4 月 20 日設計（寫作初稿）2008 年 4 月 30 日 - 2008 年5 月 10 日修改、定稿、打印【參考文獻】1 伍小杰，白鑰，動態無功功率補償的現狀和展望，中國礦業大學信電學院，江蘇 徐州 221008 1001-439x（2000）05-0019-04.2張巍，馬文營，楊洪耕，電氣化鐵道諧波抑制與無功補償的最優計算，四川大學電氣學院，四川 成都 610065 繼電器 第31卷 第八期 2003年8月15日.3 李夏青, 李力，牽引供電系統采用sv g 實現有源無功補償方法研究與仿真 ， 石家莊鐵道學院電子工程系, 河北石家莊

6、 050043 文章編號: 100128360 (1999) 02200462494 張軍,馬文靜，濟南鋼鐵集團總公司自動化部逯志宏濟南鋼鐵集團總公司，冶金自動化2002 年第4 期.5 崔國瑋，李志民，tcr 動態無功補償原理及濾波器參數的計算，包頭鋼鐵學院 自動化與計算機工程系, 包頭014010 包頭鋼鐵學院學報 第4 期第284 288 頁.6 曾光，阮錦生，鐘彥儒，靜止型無功補償tcr閥監控系統的研制，西安大學 電力電子技術1995年第3期 1995.8.7 劉益良，tct型靜止無功補償（svc）裝置和2*30t電弧生產8 群湛，電氣化鐵道并聯綜合補償及其應用m ，北京: 中國鐵道出

7、版社, 1993.【指導教師意見】（有針對性地說明選題意義及工作安排是否恰當等）同意提交開題論證 修改后提交 不同意提交（請說明理由）指導教師簽章： 年 月 日 【系部意見】同意指導教師意見 不同意指導教師意見（請說明理由） 其它（請說明）系（部）主任簽章： 年 月 日第 三 部 分畢業設計報告目 錄第一章：綜 述11.1 引言11.2 電氣化鐵道的發展及特點21.3 無功功率補償簡介31.4 幾種常見的動態無功補償方式41.5 本課題研究的目的及意義8第二章：電氣化鐵道的諧波及無功102.1 電氣化鐵道102.2 交流電氣化鐵道供電方式112.3 電氣化鐵道牽引變電站諧波分析及推算12第三章

8、：電氣化鐵道動態無功補償的實現253.1 tsc基本原理253.2 tsc的分類263.3 主電路273.4 無功檢測303.5 仿真與分析31結 論46致 謝47參考文獻48電氣化鐵道動態無功補償摘 要 電氣化鐵道的諧波含量多，功率因數低下，其單相獨立性又在電力系統中造成負序電流。無功、負序和諧波成為電氣化鐵道日趨嚴重并急需解決的問題。電氣化鐵道的特殊供電方式三相變兩相及其特殊的負荷情況，極易造成大量的諧波和無功功率。嚴重影響供電電網的電能質量，同時也影響自身的正常運行。本文介紹了用于配電系統動態無功補償的晶閘管投切電容器(tsc)的基本原理、分類、主電路形式。針對電氣化鐵道的無功產生的特點

9、，選用晶閘管投切電容器（tsc）來進行無功補償，分別投切不同組數的晶閘管投切電容器（tsc），用matlab仿真出結果，通過比較選出最優的投切組數，以提高功率因數。關鍵詞：電氣化鐵道 無功補償 晶閘管投切電容器 功率因數study of dynamic reactive power compensation in the electric railwayzheng can0301 telecommunicationsabstract: the electrified railway with rich harmonics varies randomly, the power factor is

10、 too low to meet the national standards. moreover, the negative phase sequence (n p s) current is serious. it is significant and urgent to settle those problems. the special power supply way of the electrified railway-three phases are turned into two phase and special load situation, it is extremely

11、 apt to cause a large number of waves in harmony and inactive power. the paper introduces thyristor switched capacitor (tsc) used in the power systems to compensate reactive power. the fundamental compensation proprinciple, classification , configuration of the main circuit. characteristic produced

12、to the inactive power of the electrified railway, through the thyristor-switched capacitor realized the inactive power is compensation, switched different counts with tsc, by the matlab emulated the result, though comparing to elect optimum switched groups, in order to improve the power factor.keywo

13、rds: electrified railways reactive power compensation power factorthyristor-switched capacitor第一章：綜 述1.1 引言隨著現代電力電子技術的發展，電力電子技術、尤其是大功率變流、變頻裝置在電力系統的廣泛應用給電力企業的電能變換帶來巨大方便，并在工業生產過程中得到了廣泛的應用。但這些裝置功率因數往往很低，給電網帶來額外負擔并影響供電質量，同時還給電網帶來日益嚴重的諧波污染。因此，對提高功率因數、治理諧波污染問題的研究已經成為電力電子技術、電力系統、電氣自動化技術和理論電工等多領域的重大課題。無功補償裝

14、置的主要作用包括提高負載和系統的功率因數，減少設備容量和功率損耗，穩定電壓，提高供電質量，長距離輸電中提高系統輸電穩定性和輸電能力，平衡三相負載的有功和無功功率等。諧波問題與無功功率問題對電力系統和電力用戶都是非常重要的問題，也是近年來各方面關注的熱點之一。諧波抑制和無功補償是兩個相對獨立的問題，但是兩者間的聯系非常緊密：（1）存在諧波的情況下，無功功率的定義和諧波有密切的關系，諧波除本身的問題之外,也影響負載和電網的無功功率，影響功率因數。（2）產生諧波的裝置同時也大都是消耗基波無功功率的裝置，如各種電力電子裝置、電弧爐的變壓器等。（3）補償諧波的裝置通常也都是補償基波無功功率的裝置，如lc

15、濾波器、有源電力濾波器中的許多類型多可以補償無功功率。電氣化鐵路具有速度快、運輸能力強、供電距離長、節約能源與造價、牽引性能好等優點，因而具有廣闊的發展前景，是世界以及我國鐵路發展的方向。但是，由于電氣化鐵路的負荷特殊，所產生的諧波、負序不僅影響到電鐵牽引站的供電可靠性，對當地電網的安全可靠運行也產生了十分不利的影響。當前電鐵諧波的抑制的主要措施是在諧波源頭加裝lc調諧濾波器、靜止無功補償器（svc）或是有源電力濾波裝置（apf或svc）。（1）無源濾波器裝置，即由電力電容器、電抗器、電抗器和電阻器適當組合而成的濾波裝置。由于其結構簡單、運行可靠、維護方便以及價格上的優勢，得到了廣泛的應用，但

16、也有不少缺點：a.有效材料消耗大，體積大；b.濾波要求和無功補償、調壓要求有時難以協調；c.濾波效果不夠理想，對系統運行狀態較敏感；d.系統頻率特性變化時，在某些條件下可能和系統發生諧振或產生諧波放大，引發事故。（2）靜止無功補償器雖然可以根據無功功率需求量自動進行補償，適合抑制快速變化的畸變負荷（如電力機車）所產生的電壓波動和閃變，但是也必須注意它們自身所產生的諧波影響。（3）有源濾波器雖然在濾波效果、無功補償效果、抑制電壓波動及設備體積等方面都有較大優勢，但是其投入實用的最大障礙是設備的高價格。在電鐵牽引變電所加裝無源濾波器，不僅可以吸收諧波電流，而且也能提高功率因數和電壓質量。濾波裝置的

17、設計要求是以最少的投資達到最佳的補償與抑制效果。1.2 電氣化鐵道的發展及特點和傳統的蒸汽機車或柴油機車牽引列車運行的鐵路不同，電氣化鐵路是指從外部電源和牽引供電系統獲得電能，通過電力機車牽引列車運行的鐵路。它包括電力機車、機務設施、牽引供電系統、各種電力裝置以及相應的鐵路通信、信號等設備。電氣化鐵路具有運輸能力大、行駛速度快、消耗能源少、運營成本低、工作條件好等優點，對運量大的干線鐵路和具有陡坡、長大隧道的山區干線鐵路實現電氣化，在技術上、經濟上均有明顯的優越性。世界上第一條電氣化鐵路，是德國的西門子公司和哈爾斯克公司于1879年在柏林貿易展覽會上鋪設的，長300米，軌距為1000毫米。此后

18、，隨著科學技術的發展、鐵路運量的增長和對能源利用率的重視，全世界電氣化鐵路營業里程逐年增加，到90年代初，在130余萬公里的鐵路中，電氣化鐵路有18萬公里，占鐵路總里程的13.8%。我國的鐵路電氣化工程建設，是從1958年6月開始的。1961年8月15日，第一條電氣化鐵路-寶成線寶雞至鳳州段建成通車，運輸效率顯著提高，揭開了我國電氣化鐵路建設的序幕。在內（燃）電（力）并舉，以電為主以及大力發展電力牽引方針的指導下，到1990年底，我國已建成16條電氣化鐵路，里程達7000公里。電氣化鐵路的牽引動力是電力機車，機車本身不帶能源，所需能源由電力牽引供電系統提供。牽引供電系統主要是指牽引變電所和接觸

19、網兩大部分。變電所設在鐵道附近，它將從發電廠經高壓輸電線送來的電流，送到鐵路上空的接觸網上。接觸網是向電力機車直接輸送電能的設備。沿著鐵路線的兩旁，架設著一排支柱，上面懸掛著金屬線，即為接觸網，它也可以被看作是電氣化鐵路的動脈。電力機車利用車頂的受電弓從接觸網獲得電能，牽引列車運行。牽引供電制式按接觸網的電流制有直流制和交流制兩種。直流制是將高壓、三相電力在牽引變電所降壓和整流后，向接觸網供直流電，這是發展最早的一種電流制，到20世紀50年代以后已較少使用。交流制是將高壓、三相電力在變電所降壓和變成單相后，向接觸網供交流電。交流制供電電壓較高，發展很快。我國電氣化鐵路的牽引供電制式從一開始就采

20、用單相工頻（50赫茲）25千伏交流制，這一選擇有利于今后電氣化鐵路的發展。隨著新技術、新材料的應用，電氣化鐵路在數量上和質量上都得到了很大的發展，電氣化鐵路已成為世界各國鐵路現代化的重要標志。1.3 無功功率補償簡介功率因數，是對電能進行安全有效利用的衡量標準之一。從最初的因為大量感性負載投入電網帶來的無功損耗，到后來由于各種非線性整流裝置投入電網帶來的諧波污染，再到現在的電力電子裝置尤其是開關電源、變頻器等功率變換裝置的廣泛使用而帶來的大量諧波對電網的危害。無功功率補償裝置的主要作用是：提高負載和系統的功率因數，減少設備的功率損耗，穩定電壓，提高供電質量。在長距離輸電中，提高系統輸電穩定性和

21、輸電能力，平衡三相負載的有功和無功功率等。目前，國內電網采用的電容補償技術主要是集中補償與就地補償技術。就地補償技術主要適用于負荷穩定，不可逆且容量較大的異步電動機補償(如風機、水泵等)，其它各種場合仍主要采用集中補償技術。下面是幾種常用的補償裝置。（1）同步調相機；（2）靜止補償裝置，目前來看，有發展前途的主要有直流助磁飽和電抗器型、可控硅控制電抗器型和自飽和電抗器型3種。上述第二種又可分為：固定連接電容器加可控硅控制的電抗器(fixed capacitorthyristor controlled reactor，fctcr)；可控硅開關操作的電容器加可控硅控制的電抗器(thyristor

22、switched capacitorthyristor controlled reactor，tsctcr)3。1.4 幾種常見的動態無功補償方式1.4.1 svg(靜止無功發生器)目前我國電氣化鐵路牽引變電所無功補償裝置絕大部分采用并聯電容器固定補償模式。由于牽引負荷的劇烈變化,便造成輕載無功的過補償和重載無功的欠補償,其結果均造成牽引供電系統功率因數偏低。為解決上述問題人們進行了多方面的研究。研究用可關斷晶閘管(gto)構成無功補償電源(svg)對牽引供電系統進行無功補償的原理和實現方法。在直流輸電系統中,可以通過調節換流器的控制角來調節無功功率, 由于用scr構成的換流器沒有斷流能力,

23、只能在控制角d為正的狀態下運行,所以這樣的換流器只能消耗感性無功功率。當用gto 取代scr 構成換流器時,就可以使換流器在d 角為正或為負的狀態下都能運行, 這樣換流器既能發出無功功率,也能吸收無功功率, 而成為雙向可調的無功電源。由于電氣化鐵路牽引供電系統是一種三相不平衡負荷,其在三相系統中所產生的不平衡一般只在各相電壓的幅值上有些不同,而不會引起各相電壓相位的變化通過調節逆變器觸發角,可實現與間的相位角差的調節,使svg輸出或吸收感性無功功率, 從而有效解決了并聯電容器固定補償的弊端。svg的平衡調節特性可使牽引負荷的不平衡效應得到改善,并可提高牽引變壓器的容量利用率。若以并聯電容器固定

24、補償為基礎,用svg來調節無功補償容量的峰谷差,這樣不僅能實現無功功率的平滑、連續地調節,而且可減小svg的容量,從而使設備投資減小。1.4.2 svc（靜止型動態無功補償裝置）隨著電力電子器件的迅速發展,大功率交交變頻裝置在交流調速中得到了廣泛的應用,但同時也出現了新的問題,即對電網造成的污染日益嚴重,產生這種污染的主要原因是用電負荷的電流波形中含有沖擊無功分量和高次諧波分量。迄今為止,國內外已研究開發了多種使用于不同場合的改善電壓波形、抑制沖擊無功的動態無功補償裝置。濟鋼中厚板廠原有2套粗軋機裝置, 沒有有效的功率補償裝置。因此,電網質量比較差,現在濟鋼中厚板廠二期工程中,新上精軋機2 套

25、交交變頻裝置,電機功率27000kw,與2套粗軋機裝置同時連接到35kv母線上,因此,若不投建無功補償系統,生產時,系統對電網的沖擊和污染是可想而知的。根據濟鋼電網的實際,對軋機負荷交交變頻對電網產生的無功與諧波進行了分析,并據此提出電網靜止型動態無功補償裝置(svc)的技術方案,利用國外先進技術,由德國西門子設計、制造svc靜止型動態無功補償裝置。svc 系統的晶閘管功率模塊采用世界先進的直接光觸發晶閘管(ltt)。ltt使用的技術類似于電觸發的晶閘管(ett),與電觸發晶閘管不同之處在于ltt晶閘管的陶瓷不是由門套管填充,觸發的光脈沖通過金屬接點直接施加到硅片的中心。ltt不需要高電勢的輔

26、助能源或邏輯電路,因此一個晶閘管模塊的元件數量減少了90%。ltt沒有內部門接點,特別是晶閘管故障無需機械彈簧。而長年操作后彈簧會出現疲勞,通過調查發現操作10多年后在某些情況下,會發生晶閘管爆炸事故,門接點是此類故障的原因。取消了晶閘管電勢門驅動單元也就取消了部分放電的電勢源和電磁干擾(emi)。全部單個晶閘管的保護集成在ltt本身,使用過電壓保護預觸發控制,產生觸發功率的激光二極管的壽命經實驗超過40年。1.4.3 tcr（晶閘管相控電抗型無功補償裝置）隨著電力電子技術的發展,大功率變流裝置在電力系統中的應用日益廣泛，這些裝置給電力變換帶來方便,但同時造成系統功率因數降低,電壓波形畸變嚴重

27、,成為電網“公害”。為此,各國專家在無功功率補償、功率因數改善、濾除諧波、提高供電質量等方面作了許多研究1近年來發展并成功應用的tcr(thyristo r con t ro lled reacto rs, 晶閘管控制電抗器)。目前，在國內許多超高壓輸電系統以及使用電弧爐、軋鋼機等無功功率波動較大的場合，經常采用svc裝置。用以改善供電系統的穩定性，抑制電壓閃變，抑制系統的過電壓和諧波，改善其動態特性，提高負荷的功率因數。為了保證svc裝置正常工作，則需監控系統實時檢測靜補償裝置特別是tcr閥的運行狀態。tcr動態無功補償器包括三個組成部分：（1）濾波器組由5套單頻調諧濾波器h2h6和1套高通

28、濾波器h7組成1每套為三線制y接線，其作用為提供恒定的超前基波無功(容性無功),并吸收負載和補償器本身所產生的諧波。（2)tcr即晶閘管控制的線性電抗器tcr起著穩定器的作用, 產生可調的滯后基波無功(感性無功),與濾波器組的恒定超前無功一起輸出可控的超前無功以補償負載動態無功的需求與電抗器串聯的2個反并聯晶閘管組來控制電抗器中的電流,當它的相位控制角最大時為全關斷狀態,補償器輸出最大容性無功；當相位控制角最小時,由于電抗器的滯后無功和濾波器組的超前無功相互抵削。(3)調節控制單元這個單元的功能是依據一定的調節方式,檢測負荷、電壓、功率因數等參數作為輸入信號,用以改變晶閘管的相位角,從而控制補

29、償器向系統提供的容性無功。tcr由于電網電壓較高，因此每個晶閘管串聯而成。監控系統主要是在運行實時檢測六相閥上晶閘管元件的狀態，以確保無功補償裝置安全可靠的運行。目前，無功靜止補償裝置的市場形式很好，所以監控系統的微機變化是很有意義的，由于微控系統占有性能價格比的優勢，可以大大的提高產品的競爭力8。1.4.4 tct型svc現代超高功率和高功率電爐，由于容量大，給電網造成很大影響：注入電網的諧波電流超過允許值；無功負荷的強大沖擊引起電網電壓劇烈波動；影響企業功率因數等。這些不良影響使電網電能質量惡化,不僅危害電氣設備的安全運行，而且使電弧爐煉鋼的產量下降，成為電網的主要公害。為了抑制這些公害,

30、改善電網電能質量，國外廣泛采用svc。我國從80 年代開始對svc進行研究,并先后試制出svc產品。我廠煉鋼分廠就應用了國產的第一套tct型svc裝置，取得了良好的效果。tct型svc裝置由高阻抗變壓器、濾波器和晶閘管功率調節器三部分組成。高阻抗變壓器在svc裝置中作為感性元件，用來吸收無功功率，它的內部結構與通常的變壓器基本相同,不同之處是短路阻抗很大,=75%,高阻抗變壓器的一次線圈接成“”形,是為了消除三次諧波等,二次線圈接成“y”,晶閘管按三相交流調功器接線,實際上是一個負載短路了的三相反并聯接線。三相各自經過零線形成回路,各相晶閘管獨立換流,避免了相間的相互干擾,具備分相調節的功能。

31、濾波器在tct 型svc裝置中作為容性元件,有h2、h3、h4、h5四組諧波濾波器,它對于基波是容性無功發生源,提高功率因數,同時兼作高次諧波電流的濾波器,用以吸收電弧爐和晶閘管功率調節器本身產生的高次諧波等。經過對tct型svc裝置抑制諧波電流、消除電壓波動理論等方面分析后,從實際投運2年多時間看,tct型svc裝置減少了電弧爐煉鋼對供電電網的影響。本設備在以下幾方面有顯著作用;(1)減少了電網的電壓波動，補償后電弧爐煉鋼的220kv系統電壓和35kv系統電壓基本不變。(2)提高了系統的功率因數。目前的運行統計報表表明,未裝tct型svc設備前的功率因數為0.78左右,而投入運行后的功率因數

32、達到0.95。(3)濾波后,35kv 母線在電弧爐煉鋼時綜合電壓總畸變小于2%,h2、h3、h4 、h5四組濾波器注入電網系統的諧波電流從i2(2次諧波電流)i5(5次諧波電流)95%概率值分別為1.6a、3.2a、3.2a、8a,均在允許值內,濾波效果非常明顯。綜上所述,tct型svc裝置在抑制諧波電流和消除電壓波動及提高功率因數等方面的效果非常顯著,發揮了各自的作用，各項綜合技術指標達到了設計要求。1.4.5 tsc(晶閘管投切電容器)電氣化鐵道負荷變化劇烈，無功功率和電流隨機波動。由于電容器組耐受沖擊次數及機械開關自身特性等限制，可調無功補償不會選用機械開關(如真空斷路器等)。目前，國外

33、一些國家開始采用晶閘管交流開關來改變補償裝置的無功出力,同時濾出一定量的諧波。其中在電力系統中使用最多、最著名的便是靜止無功補償器(svc),它有可調電抗器和晶閘管投切電容器(tcr+tsc)方式和晶閘管投切電容(tsc)。tcr+tsc方式投資較大，結構復雜，且tcr有損耗，產生一定量諧波;tsc是svc的簡化方式，按單調諧設計多組某次或某幾次濾波器，基波下各支路呈容性，由晶閘管投切電容器組，分級改變補償裝置的無功出力；某次諧波下偏調諧，兼濾該次諧波。因其裝置壽命與投切次數無關，且投切的暫態過程很小，結構簡單，響應速度快，不產生諧波。所以它是適用于電氣化鐵道特點和要求,最具應用前景的經濟實用

34、裝置。帶有降壓變壓器的tsc及補償支路單調諧濾波器設計方法：正常網壓范圍內, 由于機車自身的調節功能，兩條饋線之間的相互影響甚微，可認為牽引變電所各供電臂的取流具有單相獨立性，可分別對兩負荷端口進行n次單調諧濾波器的設計。在牽引變電所的負荷端口設置的單調諧濾波補償支路由c2l串聯而成，通常對n 次諧波從感性區域接近串聯諧振，使該次諧波下支路阻抗呈感性，以至不會出現濾波支路與系統的感性阻抗發生諧振，導致諧波放大；但在基波下呈容性，可用于基波下無功、負序的補償；考慮到工程上簡單可行，兩臂每組tsc采用相同結構；另外，由于降壓變壓器漏抗的影響，隨著投入tsc的組數增加，包括降壓變壓器在內的補償支路(

35、5、7)次諧波容抗降低。因此,為了避免補償支路在(5、7)次諧波下出現容性，而導致與系統發生諧振引起諧波放大，補償支路濾波器參數設計以一組為基礎。無功“返送正計”的計量方式下，當饋線負荷空載概率較高時，應放棄使用原有固定補償模式，完全采用tsc可調電容補償，根據無功大小動態投入或切除一定組數的補償支路，避免fix長期投入而造成的空載下大量無功返送；如果空載概率不高，在原有固定補償模式下，過補償不嚴重，則從投資和更好地兼顧濾波起見，應考慮采用fix+tsc方式。要解決目前電氣化鐵道牽引變電所功率因數過低的問題,必須采用可調補償。1.4.6 幾種常見的補償方式的比較名稱可控飽和電抗器tsctcrt

36、ct響應方式(ms)60201010調節方式連續階梯連續連續諧波大（5次25%，7次10%）無小（5次5%，7次2.7%）同左損耗大（46%）小小（12%）小噪音大小小小設計方式需降壓變壓器同左直接接27.5kv需降壓變壓器1.5 本課題研究的目的及意義隨著電網規模的不斷擴大，以及各種用電設備接入電網消耗大量的無功，無功不足和電壓波動大的問題日益突出。這時僅靠調節發電機勵磁電流的手段已經不能滿足要求。從20世紀初開始，人們就對無功補償技術進行了大量的研究，為改善負荷功率因素，逐步采用了同步調相機、并聯電容器、并聯電抗器、串聯電容器、現代靜止補償器等無功補償手段。控制方式也有集中式控制、分散控制

37、和關聯控制等方式，控制策略更是從經典控制轉入了智能控制。電氣化鐵路是重要的電力用戶，其無功問題也一直很嚴重。提高電氣化鐵路功率因數有兩種方法：一是提高負荷（電力機車）的功率因數，這可通過改造原有電力機車或研制高功率因數的電力機車來實現；二是實時監測、調節系統的無功功率，使功率因數始終保持較高值。前一種方式由于需要大量的資金，短時間內還不能實現。現在比較常用的無功補償裝置有兩種：一是開關投切電容器組；二是使用晶閘管控制電抗器（tcr）諧波含量大。本課題的主要目的是：對無功補償裝置的控制方案進行研究，確定一種更有效的、對電網更有利的控制方式；用晶閘管投切電容器（tsc）對電氣化鐵道的無功功率補償進

38、行研究。第二章：電氣化鐵道的諧波及無功2.1 電氣化鐵道電氣化鐵道是以電能作為牽力的一種現代化運輸工具，它的發展史有一百多年。在電氣化鐵道上的列車由電力機車牽引，電力機車本身不帶生產能量的裝置，也不能儲備燃料，所需的電能由電力部門供給的。先由發電廠、站把電能經過電網輸送到區域變電所，再經過高壓輸電線路部門的牽引變電所，然后用饋電線將它饋送到架設在鐵路線上方的接觸網上，并以回流連接線與鋼軌連接，構成回路。電路機車通過受電弓及車輪，與接觸網導線軌道接觸，機車受電（見圖2.1）。上述鐵路牽引變電所、饋電線、接觸網、軌道回路等稱作電氣化鐵道的牽引供電系統。圖2.1電氣化鐵道的牽引供電系統在電氣化鐵道的

39、牽引供電系統中，根據電流和電壓的不同，大致可分為直流制和交流制兩種供電方式。在交流牽引供電制中又可分為低頻單相交流制和工頻單相交流制兩種。低頻單相交流制出現在本世紀初，采用的頻率和供電電壓為16.67hz1500v。在德國、瑞士、奧地利、挪威等電氣化發展比較早的國家里，至今仍全部或大部分采用這種供電制；而美國則采用的是25hz1100v。目前，低頻單相交流制約占世界電氣化鐵路的17.5%。雖然它具有交流制的許多優點，但由于它采用的頻率較低，與目前廣泛使用的50或60hz的工業頻率不一致，不能直接利用50或60hz工頻三相交流電，而需要在變電所設置復雜的頻率交換裝置，或建立鐵路專用低頻發電廠。因

40、而，低頻單相交流制在世界上沒有得到廣泛采用。50或60hz工頻單相交流制是近四十年來發展起來的一種供電方式。在這種供電方式中牽引變電所將三相交流電中的一相送至接觸網上。將交流電的大容量整流器是裝在機車上的，在電力機車上仍然用直流串激電動機。工頻單相交流制排除了直流制和低頻單相交流制的缺陷，能直接從具有巨大容量的電力系統取得電能，它是牽引供電方式中的后起之秀，發展很快，采用的國家越來越多，現在已占世界電氣化鐵路的32.5%。2.2 交流電氣化鐵道供電方式我國電氣化鐵道采用工頻單相交流制。其供電系統可見圖2.1，其中牽引變電所將110或220千伏三相電變成27.5千伏單相，經饋電線送往接觸網。牽引

41、變電所沿電氣化鐵道分布，兩個牽引變電所之間，為了使其安全可靠地供電，通常在中間斷開，分為互相絕緣的兩部分，每一部分稱一個供電分區，又稱為供電臂。在其供電臂的末端即在兩個供電臂交界處設有分區亭，裝有分相裝置及短路器，對接觸網起到分段與保護的作用。下面介紹牽引變電所向接觸網供電方式。一、 按供電臂的接線方式分區（一）單邊供電在電氣化鐵道上行駛的電力機車，只接受某一方向變電所提供的電，稱為單邊供電。由于單邊供電在接觸網發生故障時。只影響本供電臂，波及范圍小，而且饋電線保護裝置也比較簡單。（二）雙邊供電在電氣化鐵道上行駛的電力機車，接受兩個不同方向變電所提供的電流，稱為雙邊供。采用這種供電方式，機車由

42、兩個變電所取流，牽引變電所的負荷較均勻，電能損失小，供電質量好，但是接線及繼電保護裝置較復雜，在有故障時，兩供電臂同時停止工作。因此，目前我國采用的是單邊供電方式。二、按對周圍環境有無防護效果及防護設備的形式分（一）直接供電方式這種供電方式以承力索和接觸導線并聯組成接觸網作為饋電線，以鋼軌和大地作為回流單線。（二）吸流變壓器供電方式將容量為數百千伏安，變比為1：1的電力變壓器每隔2-4公里設置于牽引供電回路中，它能迫使由大地返回變電所的機車電流絕大部分經由鋼軌及回流線流回牽引變電所。這種供電方式稱為吸流變壓器供電方式，簡稱bt供電方式。（三）自藕變壓器供電方式由自藕變壓器、正饋線、接觸導線、鋼

43、軌和保護導線組成的牽引供電系統，它也能迫使絕大部分機車電流經由鋼軌及回流線流回牽引變電所。這種供電方式稱為自藕變壓器供電方式，簡稱為at供電系統。以上簡介餓牽引供電的不同供電方式，我國主要采用的的是單邊供電系統，其中直供、吸流變壓器和自藕變壓器供電方式都投入了實際使用。2.3 電氣化鐵道牽引變電站諧波分析及推算我國約有3000km的電氣化鐵路，其電力機車為單相27.5km交流電，由專用牽引變壓器提供，一次側三相進線連接到110kv電力網，二次側輸一般牽引變壓器為三相變兩相變壓器出則為兩獨立的單相27.5kv交流電，每路各承擔一組牽引供電臂，每一供電臂上可同時有多輛電力機車運行。由于電力機車為非

44、線性整流負荷，從而產生諧波電流經牽引網傳輸至供電臂首端疊加后注入牽引變壓器饋入電力電網，及每一牽引變壓器都是一個動態的諧波源，每一個牽引臂的負荷(電力機車)是隨時變動的，無功功率也是變化的，導致末端電壓變化較大影響電力機車出力，不采用補償措施時，功率因數大約在0.50.7,年罰款量很大。若不加以處理，將嚴重污染電網質量。2.3.1 諧波分析在各種機車運行方式下，對供電臂送端總電流的諧波含有率進行實測統計，作為諧波計算的依據，韶山型統計值如表hri為前h次諧波的總畸變率： (1)ri1002010.56.03.52.51.81.523.88表2.1供電臂諧波電流含有率實

45、測統計值設供電臂實測統計的各次諧波電流含有率為當已知供電臂電流為i時，略去h次以上的諧波，注入牽引變壓器的前h次諧波電流及總量按下式計算： (2) (3) (4)輸入電網系統不平衡諧波的特點：(1)特征諧波均為奇次諧波。(2)兩臂有機車時，輸入系統的所有不平衡諧波（包括奇波h=1），分為3類：令m=0,1,2,，則h=3m+1為正序諧波（相序為a,b,c）；h=3m+2為負序諧波（相序為a,c,b）；h=3m+3時，當兩臂電流初相角相等時為年零序不平衡諧波，其相角兩相同一相反相。當只有一臂有機車時，相當于低壓測施加餓一個單相諧波源，各次諧波均為零序不平衡諧波。(3)各次諧波序電流均可分解為正序

46、分量和負序分量。而沒有零序分量，在兩相和單相負荷供電方式之下，低壓側各次三相諧波量和為零，均不含零序分量。所以變壓器繞組對機車諧波電流無任何阻擋作用，全部機車諧波電流注入電力電網系統。以普遍采用的y/d11接線牽引變壓器為例，如圖2.2所示，設系統電壓為三相對稱正弦波，兩供電臂相位差為，以超前相電壓為參考，兩臂h次諧波電流的復數形式為: (5) (6) (7)式中即b臂、a臂參照與各自供電臂電壓的h次諧波初相角圖2.2 y/d11牽引變壓器供電系統把各自的三相諧波放在各自的復數平面上，用對稱分量計算，牽引變壓器的接線組別和變比k對諧波的變換作用與基波相同，高壓側輸入電力系統的諧波序分量電流及線

47、電流為 (8) (9)將式(5)、式(6)代入式(8)、式(9)可得各次諧波電流的數值和相位，數值計算式為： (10) (11) (12) (13) (14)經換相后的牽引變壓器，可用上列各式輪換計算。當與系統反相序連接時須將代以，使其成為負相序，且式(10)(14)中參照系統相序的正、負序諧波電流計算式應對換；當時三相線電流和上述序電流的各次諧波式不變。2.3.2 諧波源對電網的影響主要諧波源是電力機車，應根據負荷率和每臂機車數量等數據對各機車產生的諧波電流進行合成，等效出諧波電流源，按無功補償要求和需要濾除的諧波確定支路數和裝機容量。表2.2 y/d11接線牽引變壓器換相連接方式牽引站序號

48、123456系統序號abcabcabcabcabcabc變壓器序號abcacbbcacbacabbac2.3.2 諧波源對電網的影響主要諧波源是電力機車，應根據負荷率和每臂機車數量等數據對各機車產生的諧波電流進行合成，等效出諧波電流源，按無功補償要求和需要濾除的諧波確定支路數和裝機容量。衡量電氣化鐵道電網諧波是否超過國家標準允許值，根據以下兩項來判斷：(1)牽引變電站注入電力諧波電流的95%概率值的最大一相值是否超過國標限值。(2)公共連接點的諧波電壓是牽引變電站注入系統的諧波電流所引起的諧波電壓和系統中其他諧波源所產生的諧波合成電壓。在項(2)超標時仍然要根據項(1)判斷，因此監測牽引變電站

49、注入系統的諧波電流是關鍵。采用從供電臂的諧波電流來估算牽引變電站注入電力系統各相的諧波電流的方法便于在工程上實現和控制，不同類型的牽引變電站的不對稱情況不同，分相估算其注入電力系統的諧波電流方法也相應不同，以y/d11接線的牽引站為例。分析/yd11牽引變壓器電流傳輸系數，y/d11雙繞組牽引變壓器比如下：零序分量變化 (15) k為一、二次繞組匝比正序分量變化 (16)正序超前負序分量變化 (17)負序、負序變化，其一二次電流傳輸關系為 (18)式(17)、式(18)反映了y/d11牽引變壓器基波電流傳輸關系，對于諧波分析如下：設a饋電臂和b饋電臂的第次諧波電流相量各為 (19) (20)式

50、中和分別為與的有效值，和分別為與以本饋電臂基波電壓為參考相量的諧頻相角值。牽引變電站注入電力系統的三相諧波電流相量表達式為 (21) (22) (23)式中電流分配系數是高壓b側相電流中僅由引起的這部分諧波電流與之比，并已計入牽引變壓器的變比，余類同。各電流分配系數之值可由表2.3確定，表中和各為系統基波電壓和對的相角差：若系統三相電壓對稱，則，。系數、和值按下列兩種情況計算：(1)不安裝濾波器時 (24) (25)(2)裝設濾波器，且每臂濾波器的第次諧波阻抗均為，可引入阻抗比，即可得： (26) (27) (28)表2.3 y/d11牽引變壓器注入系統各相的第h次諧波傳輸系數傳輸系數饋電臂a

51、、b相和供電系統a、b、c相的對應關系a對ab對aa對bb對ca對cb對aa對bb對aa對cb對ba對ab對c2.4 無功功率2.4.1正弦電路功率因數的定義在正弦電路中，如果負載是線性的。加以正弦電壓后，產生的電流是正弦的。設電壓、電流分別為：其中，為有功分量，為無功分量。則電路的平均功率為： （29）定義為有功功率，相對應的定義無功功率為： （30）可見，有功分量產生，無功分量產生。對于發電機和變壓器，其額定電流與繞組導線截面積及銅損有關；額定電壓與繞組的電氣絕緣有關，在一定工作頻率下，額定電壓又與鐵心尺寸和鐵損有關。為此，工程上將電壓電流有效值之積作為設備功率設計極限，定義視在功率為：

52、（31）反映了電氣設備的最大可利用容量。從式(29)知，有功功率的最大值就是視在功率，越接近，說明電氣設備的容量利用得越充分。為了反映這種利用程度，定義功率因數為： （32）由以上(29)(32)4個定義式可得出正弦電路中各量之間的關系： （33） （34）2.4.2非正弦電路功率的定義對于含有非線性器件的非正弦電路，施以正弦電壓后，產生的電流發生畸變，不再是正弦。但在滿足狄里赫利條件下，非正弦電流可以分解成傅立葉級數： （35）其中，的部分為基波電流： （36）的所有分量為諧波電流。電流總有效值為：總諧波電流有效值為：為了反映電流的畸變程度，定義總諧波畸變率： （37）則根據正弦電路中有功、視在、功率因數的定義，有： （38） （39） （40）其中，稱為基波因數，稱為位移因數。至于非正弦電路中的無功功率尚未廣泛接受的科學而權威的定義，這里使用一種通行的定義，這里使用一種通行的定義方法，將電路無功功率分為由基波無功功率和由諧波產生的畸變功率： （41） （42）這樣，總無功功率為 （43）對比式3843可得如下關系式： （44）由上分析，可見總電流可看作三部分組成：有功分量、基波無功分量和諧波分量。2.4.3 無功補償技術發展不同時期，人們對功率因數問題的理解有所不同。功率因數問題是用電設備對電網帶來的影響問題。不同性質的問題，其解決思路和方法也有所不同。無功補償的發展過程就是